5G基站電磁輻射預測方法及防護指標研究

曹 祿

（中國移動通信集團設(shè)計院有限公司，北京 100080）

0 引 言

隨著5G標準演進，中國移動5G工程使用了多種類型的無線射頻端設(shè)備，其在發(fā)射通道數(shù)、功率參數(shù)、Massive MIMO天線能力以及信號波束賦形特性等技術(shù)指標上較往期設(shè)備有較大變化。全面實施4/5G帶寬和功率協(xié)同機制，引入4.9 GHz頻段后，不同頻段的5G網(wǎng)絡(luò)在子幀上下行配置方面也有區(qū)別，且新天線3D方向圖變化多樣。以上因素對基站的電磁輻射水平均會產(chǎn)生較大影響，使得5G基站電磁輻射預測方法和防護指標成為急需研究解決的問題。

1 5G基站發(fā)射端功率影響因素分析

1.1 設(shè)備類型及4/5G功率協(xié)同的影響

中國移動5G室外基站主要使用64/32通道的AAU或8通道的RRU，均為4/5G共模設(shè)備。其中，64通道設(shè)備滿配額定功率可選240 W或320 W，32/8通道設(shè)備滿配額定功率均為320 W。

對于2.6 GHz頻段上的160 MHz帶寬，目前規(guī)定5G NR只占用前100 MHz，后60 MHz根據(jù)需求可供反向開通4G 3D-MIMO，因此總發(fā)射功率需在4/5G之間協(xié)同分配，如圖1所示。

圖1 4/5G功率協(xié)同分配

常規(guī)情況下，各類型設(shè)備在5G 100 MHz帶寬上均能配置200 W功率，但當使用240 W的64通道射頻設(shè)備時，在4G容量需求較大且需優(yōu)先保障的情況下，最多可反向開通2個3D-MIMO載波，給4G分配40 MHz帶寬和80 W的發(fā)射功率，此時5G 100 MHz帶寬最大只能配置160 W功率。可見，當5G基站使用不同功率型號的射頻設(shè)備時，受反開4G的影響，基站發(fā)射機平均發(fā)射功率將有所不同。

1.2 子幀上下行配置的影響

5G NR在時域的上下行配置以O(shè)FDM符號為粒度，現(xiàn)網(wǎng)中物理層選擇30 kHz的子載波間隔，此時每個子幀含2個時隙，每個時隙包含14個OFDM符號。

在2.6 GHz頻段，NR使用5 ms單周期幀結(jié)構(gòu)，時隙配置為DDDSUUDDDD，即上下行時隙占比為7DL:2UL，特殊時隙（S）配置為6:4:4。2.6GHz NR 5 ms單周期幀結(jié)構(gòu)的時隙格式如圖2，下行符號占比為 (7×14+6):(10×14)=104:140。在 4.9 GHz頻段，NR可使用2.5 ms雙周期和2.5 ms單周期幀結(jié)構(gòu)，其中2.5 ms雙周期的上下行符號占比為90:140。

圖2 2.6GHz NR 5 ms單周期幀結(jié)構(gòu)的時隙格式

在一段統(tǒng)計時間內(nèi)，5G基站一部分時間用于發(fā)射，一部分時間用于接收，因此發(fā)射機平均功率需考慮下行符號占比，僅統(tǒng)計下行傳輸時發(fā)射的功率。

1.3 多流發(fā)射的影響

5G采用Massive MIMO技術(shù)，可實現(xiàn)多用戶多流的波束賦形發(fā)射。中國移動5G網(wǎng)絡(luò)64/32/8通道設(shè)備分別支持NR側(cè)每小區(qū)下行16/8/4流。在極限情況下，每流都有用戶，在不考慮功率分配和功率控制算法影響的前提下，理想情況基站總功率在多流之間平均分配。以16流為例，若基站總發(fā)射功率為P，此時每流功率的中值為（P-12）。

1.4 Massive MIMO天線增益的影響

當前主流的64/32/8TR 5G新天線結(jié)構(gòu)如圖3所示。因使用Massive MIMO天線，5G天線波束賦形能力較傳統(tǒng)天線強很多，且5G的廣播波束和業(yè)務(wù)波束都有賦形，所以評估5G天線總增益時要綜合考慮天線本身陣子功放增益和波束賦形增益等。

圖3 5G新天線陣元結(jié)構(gòu)圖

5G天線本身的增益包括陣元增益和每通道陣子功放增益等。對64TR的5G天線，業(yè)務(wù)信道波束賦形可實現(xiàn)水平8波束×垂直4波束，其波束賦形增益為水平與垂直賦形增益之和，即10×lg8+10×lg4=15.05，其他天線同理計算。

2 5G電磁輻射預測方法

根據(jù)上述分析，考慮影響5G基站發(fā)射端功率的因素，可將5G基站發(fā)射機平均功率P表述為：

定義天線歸一化方向性函數(shù)F(φ,θ)∈ [0,1] 代表天線在某一方向上的增益與最大增益值的比值，φ和θ分別為預測點與天線軸向在水平和垂直方向的夾角。5G天線發(fā)射端總增益G（倍數(shù)）可表達為：

式中，Ga表示天線（陣元及功放）增益，單位為dB；Gb表示波束賦形增益，單位為dB；L表示饋線接頭損耗，單位為dB。

天線輻射場空間內(nèi)任意點的電磁輻射值，受天線歸一化方向性函數(shù)F(φ,θ)影響[1]。利用均勻直線方向陣函數(shù)擬合獲取F(φ,θ)的方法在實際工程應(yīng)用中操作難度過大，且擬合出的天線方向圖與實際存在偏差[2-4]?？紤]到目前天線廠商已能夠提供與天線3D方向圖相對應(yīng)的天線方向性衰減表（例如表1），因此實際工程中通過φ和θ查天線方向性衰減表獲取F(φ,θ)值更加精準和可行。

表1 某款5G天線方向性衰減表

根據(jù)《輻射環(huán)境保護管理導則電磁輻射監(jiān)測儀器和方法》中發(fā)射端天線的遠場功率密度公式[5]。不考慮天線反射波的影響，當觀測點到天線間的距離為r（單位：m）時，其位置處的基站電磁場功率密度Pb為（單位：W/m2）：

將式（1）和式（2）代入式（3），得到5G基站電磁輻射預測公式：

當限定功率密度值Pd時，5G基站電磁輻射防護距離為：

3 5G電磁輻射安全防護指標建議

根據(jù)相關(guān)標準中對電磁場公眾暴露控制限值和對單個項目通過天線發(fā)射電磁波的電磁輻射防護限值的規(guī)定，在任意連續(xù)6 min內(nèi)，5G項目對于單個2.6 GHz頻率基站電磁輻射等效平面波功率密度平均值應(yīng)小于0.08 W/m2，對于單個4.9 GHz頻率基站電磁輻射等效平面波功率密度平均值應(yīng)小于0.13 W/m2，將該值作為Pd代入式（5），并根據(jù)各項參數(shù)可求得不同頻段、設(shè)備類型以及技術(shù)參數(shù)下5G基站的電磁輻射防護距離建議值[6,7]。通常天線的軸向方向（F(φ,θ)=1）是天線增益最大的方向，天線軸向的5G基站電磁防護距離建議值可參見表2。當敏感點位于非軸向時，可在已知該方向的水平夾角φ和垂直夾角θ后，通過方向性函數(shù)F(φ,θ)的取值求得該方向的防護距離值，其不會大于軸向防護距離。

表2 5G基站電磁輻射防護距離（天線軸向距離）建議值

4 結(jié) 論

對5G基站電磁輻射水平的預測分析、環(huán)境影響評價及電磁輻射安全防護是5G工程建設(shè)中一項重要工作。本文對此問題從方法論和定量結(jié)論兩個方面均給出了明確的建議，相關(guān)結(jié)論對于國內(nèi)5G工程的基站選址設(shè)計和電磁輻射水平預測等工作具有指導意義。